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Auteur : les anciens

Mars 2009 : Thibaud

Notes :

  • antidote appliqué. Thibaud
  • Winmerge : ok – Sylvie
  • Mise en page [liens internes, tdm, en bref !, passage général sur la mise en page de la feuille] – Sylvie

Note : la consommation d’un immeuble de bureaux est très variable, surtout selon son niveau d’équipement intérieur. Les chiffres donnés ci-dessous sont approximatifs mais donnent une vue moyenne de l’origine des consommations. Si les valeurs choisies sont discutables, la consommation totale par m² est conforme à la consommation moyenne des bâtiments construits récemment.

L’hiver s’arrête par 11°C extérieur

Le « volume-type » d’un occupant

Un occupant dispose en moyenne de 10 m² dans un immeuble de bureaux.

Suite à une hauteur moyenne sous plafond de 3 m, il vit dans un volume de 30 m³.

Pour assurer la qualité hygiénique de l’air respiré par l’occupant, 30 m³ d’air neuf lui sont apportés chaque heure.

Le bilan thermique d’une journée par 11° extérieur

Partons d’une journée où il fait 11°C à l’extérieur, en moyenne jour-nuit. La température intérieure moyenne est de 20°C (21°C en journée et 19°C la nuit).

Quelles seront les déperditions du local ?

Supposons le local situé sous la toiture. Il faut chauffer l’air de ventilation, et vaincre les pertes de chaleur par la fenêtre et par les parois (delta moyen de T° de 9 K) :

  • La puissance de chauffe liée à la ventilation sera de 92 W
  • Les déperditions de chaleur liées aux parois seront de 117 W

(On a supposé ici que les échanges avec les autres locaux adjacents sont nuls, parce qu’ils sont à même température que le local lui-même).
Soit une demande de chaleur totale de 209 Watts x 24 heures = 5 kWh.

Quels sont les apports thermiques ?

L’éclairage, l’ordinateur et l’occupant lui-même génèrent 350 W mais durant 8 heures, soit un apport journalier de 350 Watts x 8 heures = 2,8 kWh.

Un apport solaire moyen hivernal de 0,7 kWh/m².jour, ce sont 2,2 kWh de chaleur qui entreront par les vitrages.

On constate qu’il y a équilibre entre les apports et les pertes. Le système de chauffage pourra s’arrêter.

On en conclut :
  • La température d’équilibre du local sera de 11° extérieur.
  • Les 200 jours de l’année où il fait plus froid, du chauffage devra être apporté.
  • Les 165 jours de l’année où il fait plus chaud, un rafraîchissement devra être trouvé.

Mais des surchauffes peuvent apparaître dès 6°C extérieur

Dans le paragraphe précédent, l’équilibre est établi entre 8 heures d’apports et 24 heures de pertes de chaleur. Cela suppose une bonne inertie thermique du local, pour stocker les apports puis les redistribuer sur 24 heures, et lisser ainsi les pointes de chaleur.
En réalité, dès 6° extérieur, l’équilibre instantané des puissances apparaît : l’occupant apporte par son activité 350 Watts… qui compensent tout juste les 350 Watts de déperditions. Si le local dispose de tapis pleins, de faux-plafonds, de cloisons légères, … le moindre rayon de soleil entraînera une surchauffe intérieure.

Deux considérations peuvent encore diminuer la température d’équilibre :

  • Si la ventilation est coupée la nuit, le bâtiment ne pourra plus se décharger de ses apports de chaleur.
  • Pire, si l’air de ventilation est apporté par un réseau d’air pulsé, le groupe de traitement d’air l’aura préchauffé à 21°C pour le confort de pulsion dans l’ambiance. Mais il ne jouera plus son rôle de refroidisseur…

Quel est le bilan hivernal ?

Analysons les entrées et les sorties de chaleur durant les 200 jours où la température est inférieure à 11°C.
La température moyenne extérieure équivalente est alors de 5,4°C (sur base d’une année type moyenne à Uccle).
La consommation de chauffage du local (chauffage de l’air neuf compris) est donnée par :

23 W/K x 200 j x 24 h/j x (20 – 5,4) K / 1 000 Wh/kWh = 1 612 kWh

Durant cette période, les apports solaires moyens par les 4 m² de vitrages seront de 448 kWh.
Les apports internes liés à la présence et à l’activité de l’occupant seront de 400 kWh.
La demande finale de chauffage est donc estimée à :

1 612 – 440 – 400 = 772 kWh, soit 77 kWh/m²

En admettant un rendement d’exploitation de 80 % de l’installation de chauffage, on obtient une consommation annuelle de : 77 / 0,8 = 96 kWh/m², soit environ 10 litres de fuel au m².

Quel est le bilan estival ?

Hypothèses

Le bilan estival est plus complexe, parce qu’il est fortement dépendant de l’inertie du bâtiment et de sa capacité à se « décharger » la nuit de la chaleur accumulée pendant la journée. Nous allons prendre ici 2 options simplificatrices (rappelons que nous cherchons ici une vue d’ensemble globale) :

  • Les échanges thermiques par les parois opaques en été sont jugés négligeables dans une première approximation, vu la bonne isolation et le faible écart de température entre intérieur et extérieur. De plus, sur l’ensemble de l’été, les échanges positifs et négatifs se compensent partiellement, notamment suite à l’effet du soleil sur les parois opaques.
  • Le besoin de rafraîchissement de l’air de ventilation lorsque celui-ci dépasse 24°C est également jugé négligeable puisque la température extérieure dépasse 24°C uniquement durant 130 heures par an, et avec un très petit delta T°.

Résultats des estimations

Le système de refroidissement doit évacuer durant les 165 jours « d’été » :

  • 330 kWh de chaleur interne produite par l’occupant et son activité,
  • 581 kWh de chaleur apportée par le soleil.

Un léger rafraîchissement est apporté par l’air neuf lorsqu’il est pulsé dans le local et que celui-ci est en demande de refroidissement. L’air extérieur est donc rafraîchissant lorsqu’il est entre 11 et 23°C. Cela génère un apport de froid de 73 kWh/an.
Le bilan d’été total s’établit :

330 + 581 – 73 = 838 kWh/an

Ou encore une demande de refroidissement de 84 kWh/m².
Si une installation de réfrigération est installée, un COP de 3 peut être choisi (auxiliaires compris) et la consommation électrique liée au refroidissement est alors estimée à :

84 kWh/m² / 3 = 28 kWh/m²

Remarques.

  • Traditionnellement, on sait que la puissance frigorifique installée est de l’ordre de 100 W/m². À noter que la règle de bonne pratique se vérifie : consommation frigorifique = 800 heures x puissance installée.
  • Si des stores sont placés, la consommation liée aux apports solaires peut diminuer des 2/3. La consommation descend alors à 22 kWh/m² et la puissance installée descend à 80 W/m².
  • À noter enfin que l’air de ventilation hygiénique apporte peu de chose pour refroidir le local. Si l’air est 10 K plus froid que l’ambiance, on aura : 0,34 Wh/m³.K x 10 K x 30 m³/h / 10 m² = 10 W/m².

Quelle est la consommation de l’éclairage et de la bureautique ?

Éclairage

120 Watts x 8 h/j x 365 j/an x 5j / 7j / 1 000 Wh/kWh = 250 kWh, soit 25 kWh/m².an

L’éclairage est ici supposé allumé 8 heures par jour, été comme hiver.

Bureautique

150 Watts x 8 h/j x 365 j/an x 5j / 7j / 1 000 Wh/kWh = 313 kWh, soit 31 kWh/m²An

Ces deux consommations sont donc chacune du même ordre de grandeur que celle de la machine frigorifique !

Quelle est la consommation des pompes et ventilateurs ?

Pompes de transport d’eau de chauffage d’eau glacée

Une consommation forfaitaire de l’ordre de 4 kWh/m²an est généralement rencontrée.

Transport de l’air neuf de ventilation

On peut tabler sur 1,4 kWh par m³/h transporté durant les 2 500 heures d’une année.
Pour assurer les 30 m³/h à l’occupant, 42 kWh/an ou encore 4,2 kWh/m²an seront nécessaires.

Conditionnement d’air du type « tout air » à débit constant

Ce débit sera calculé sur base de la puissance maximale, donc sur base de la puissance frigorifique d’été de 100 W/m². L’occupant demande donc 1 000 Watts de refroidissement pour ses 10 m². Le débit d’air nécessaire pour refroidir son ambiance, partant de l’idée que l’on pulse un air 10 K plus froid que l’ambiance, est donné par :

1 000 W / (0,34 Wh/m³.K x 10 K) = 294 m³/h

À noter que le taux de brassage de l’air est alors de 294 m³/h / 30 m³ = 10 !
Tout le volume d’air de l’occupant est brassé 10 fois par heure. Les ventilateurs de pulsion et d’extraction (pour assurer le chaud et le froid) auront une consommation totale de :

294 m³/h x 1,8 kWh/(m³/h) = 529 kWh, soit 53 kWh/m² !!

(La valeur de 1,8 kWh par m³/h transporté durant les 2 500 heures d’une année est choisie plus élevée qu’en ventilation pour tenir compte des pertes de charge liées à la présence des batteries de chauffe et de refroidissement).
Une telle consommation est probablement ramenée de plus de moitié si l’on travaille « à débit variable ».

Conditionnement d’air par ventilo-convecteurs

Le ventilateur du ventilo-convecteur aura une puissance de l’ordre de 80 W, soit 0,08 kW. S’il fonctionne 80 % des 2 500 heures de travail annuelles, on obtient :

0,8 x 0,08 kW x 2 500 h/an = 160 kWh/an

Mais l’appareil est capable de gérer un volume double de celui de l’occupant. Dès lors, cette consommation doit être rapportée sur 20 m², soit 8 kWh/m²an

Conditionnement d’air par plafonds froids et radiateurs

La consommation des pompes qui transportent l’eau glacée est augmentée, probablement de 50 %.
La consommation des ventilo-convecteurs disparaît. mais une consommation plus insidieuse apparaît : celle liée à la déshumidification de l’air neuf pour éviter le risque de condensation, voire de son post-chauffage pour éviter de pulser un air trop froid dans les locaux. L’évaluation dépasse le cadre de la présente approximation.

Refroidissement par free cooling mécanique

De l’air extérieur frais est pulsé dans les locaux durant la nuit. On suppose que l’installation est enclenchée lorsque l’air extérieur est en moyenne 10°C plus froid que l’ambiance. Les 838 kWh d’apport de chaleur doivent être évacués par :

838 kWh / (0,34 Wh/m³.K x 10 K) x 1 000 Wh/kWh = 246 470 m³

Si l’installation est réalisée sur base de 4 renouvellements horaires, le débit d’air sera de 4 x 30 = 120 m³/h.
Le nombre d’heures de fonctionnement sera de :

246.470 m³ / 120 m³/h = 2 054 heures

L’installation devra fonctionner 2 054 heures sur 165 jours de fonctionnement en mode refroidissement, soit 12,5 h par jour en moyenne.
La consommation liée aux ventilateurs sera de

120 m³/h x 1.8 kWh/(m³/h) x 2 054 h / 2 500 h = 177 kWh, soit 18 kWh/m².

Si les 28 kWh/m² de la machine frigorifique ne sont plus nécessaires, une bonne part de l’économie est mangée par les ventilateurs eux-mêmes.
Remarque : il n’est pas certain qu’un tel écart de température soit disponible durant autant d’heures.
(Le coefficient 1.8 kWh/(m³/h) a été choisi parce qu’en pratique une batterie de refroidissement est souvent greffée sur le circuit de pulsion afin de vaincre les températures les plus élevées).

Quelle est la consommation de l’humidification de l’air neuf ?

Si l’on assure une humidification minimale pour atteindre 21° et 45 % HR en sortie de batterie de chauffage de l’air neuf hygiénique, la quantité d’eau à fournir est annuellement de 5 000 gramme /(m³/h) transporté. L’énergie de vaporisation de l’eau est de 0,694 Wh/gramme d’eau.

30 m³/h x 0,694 Wh/gr x 5 000 gr/(m³/h) x (5/7) / 1 000 Wh/kWh = 74 kWh/an, soit 7 kWh/m²an

Synthèse des consommations

Sur base des hypothèses suivantes

  • L’énergie thermique revient à 6,22 c€/kWh environ (sur base de 0,622 €/litre fuel).
  • L’énergie électrique génère une consommation primaire 2,8 fois plus élevée, suite au rendement moyen de 38 % des centrales électriques.
  • Son prix de revient est de l’ordre de 16 c€/kWh, pointe de puissance comprise.

On obtient le bilan suivant pour le poste de travail dans cette situation type :

Puissance [W/m²] Consommation [kWh/m²] Énergie primaire
[kWh/m²]
Coût
[€/m²]

Chauffage
(local + air neuf)

70 96 96 6,0

Refroidissement

100 28 78 4,5

Humidification

7 20 1,1

Transport des fluides

– (si « tout air »)
– si « air + eau »

(53)
12
(148)
34
(8,5)
2,0

Éclairage

12 25 70 4,0

Bureautique

15 31 87 5,0

TOTAL

201 [kWh/m²] 385 [kWh/m²] 22,6 [€/m²]

Note : la consommation de chauffage peut, en moyenne, être nettement inférieure. En effet, les 4 m² de vitrages associés à l’occupant génèrent des déperditions plus élevées que la moyenne. Un m² de couloir ne génère, par exemple, aucune consommation de chauffage !

Conclusions

Si l’on ajoute les consommations diverses (ascenseurs, cafétéria, eau chaude sanitaire, .), on obtient le bilan annuel simplifié suivant pour le gestionnaire :

  • 7 à 10 litres de fuel (ou 7 à 10 m³ de gaz) et 120 kWh électrique au m²
  • un coût global de 25 €/m²an

Dans un immeuble construit aujourd’hui, l’énergie représente donc 250 € par an et par occupant.

En première approximation, on peut retenir que ce coût se réparti en :

  • 1/5ème pour le chauffage des locaux et de l’air neuf hygiénique,
  • 1/5ème pour le refroidissement des locaux,
  • 1/5ème pour l’éclairage,
  • 1/5ème pour la bureautique,
  • 1/5ème pour les auxiliaires (pompes et ventilateurs) et équipements divers.

Et si l’on revenait au « bon vieux temps » ?

Et si l’on revenait au temps où les bâtiments n’étaient pas ou peu isolés et où la climatisation n’existait pas grâce à la fraîcheur des vieilles pierres ?
Il suffit de reprendre la consommation moyenne de chauffage des bâtiments administratifs en Wallonie (source – Institut de Conseils et d’Études en Développement Durable) :

chauffage : 173 kWh/m²

Le coût du chauffage est presque doublé, avec le confort en moins !! Le supplément de consommation en chauffage anéantit l’économie faite par l’absence de refroidissement .
De plus, le poste « refroidissement » du bâtiment, on peut facilement le réduire par une conception adéquate du bâtiment (protection solaire) et de l’installation de climatisation (refroidissement naturel intégré à la climatisation).

Quelle est la justification des chiffres utilisés ?

Déperditions de chaleur par les parois

Imaginons la portion de façade et la portion de toiture qui entourent l’espace (cette déperdition par la toiture est prise à titre d’exemple; une autre paroi mitoyenne aurait pu être prise).
Une isolation de 8 cm est placée dans les parois et un vitrage à basse émissivité est installé.

Les déperditions de chaleur liées aux parois seront de :

  • Pour le vitrage : 4 m² x 1,9 W/m².K = 7,6 W/K
  • Pour le mur : 3,5 m² x 0,4 W/m².K = 1,4 W/K
  • Pour la toiture : 10 m² x 0,4 W/m².K = 4 W/K

soit un total de 13 W/K.
Toutes les autres déperditions sont annulées puisque les locaux voisins sont supposés être chauffés à la même température.
On en déduit les valeurs utilisées plus haut :

  • Pour une température extérieure de 11°C et une température intérieure de 21°C, la déperdition totale sera de 13 W/K X (21 – 11) K = 130 Watts.
  • Pour une température extérieure de 6°C et une température intérieure de 21°C, la déperdition totale sera de 13 W/K X (21 – 6) K = 200 Watts.
  • Pour une température extérieure de – 10°C et une température intérieure de 21°C, la déperdition totale sera de 13 W/K X (21 – (- 10)) K = 400 Watts.

Déperditions de chaleur par ventilation

Pour assurer la qualité de l’air, 30 m³ d’air neuf hygiénique sont apportés chaque heure à l’occupant par le système de ventilation. Le volume d’air utile est donc renouvelé entièrement chaque heure.
La puissance de chauffe liée à la ventilation sera de :

0,34 Wh/m³.K x 30 m³/h = 10 Watts/K

Puisque la capacité thermique de l’air est de 0,34 Wh/m³.K.
Autrement dit, pour une température intérieure de 21°C, on déduit une puissance de chauffage par ventilation de 310 Watts par – 10°C de température extérieure, 150 Watts par + 6°C, et 100 Watts par + 11°C.
Par contre, un léger rafraîchissement est apporté par l’air neuf extérieur lorsqu’il est entre 11 et 23°C. Cela se produit 3 681 heures par an.
En tenant compte que si l’air est à une température inférieure à 15°C, il est d’abord réchauffé à 15°C (pour une question de confort), la température moyenne de l’air est de 16,5°C.
Cela génère un apport de froid de :

0,34 Wh/m³.K x 30 m³/h x (23° – 16,5°)  x 3 681 h x 10/24 x 5/7 = 73 kWh/an

Apports solaires par les vitrages

Les apports solaires hivernaux moyens (toutes façades confondues) traversant un double vitrage vertical sont de 0,7 kWh/jour.m².
soit un apport journalier moyen de :

0,7 kWh/jour.m² x 4 m² x 0,8 = 2,24 kWh/jour

Le coefficient 0,8 est un coefficient qui tient compte de la présence des châssis.
Le bilan des apports solaires pour l’hiver est donc de :

2,24 kWh/jour x 200 jours = 448 kWh/hiver

De même, la chaleur solaire moyenne estivale (toutes façades confondues) traversant un double vitrage vertical est de 1,1 kWh/jour.m², soit un total sur les 165 jours de l’été de :

1,1 kWh/j.m² x 165 j x 4 m² x 0,8 = 581 kWh/été

Apports internes du local

Établissons les apports internes du local :

  • L’occupant dégage de la chaleur sensible : 80 W.
  • Il est équipé d’un ordinateur : 150 W.
  • Il est éclairé : 12 W/m² x 10 m² = 120 W.

Soit un total de 350 Watts, ou 0,35 kW.
Le bilan des apports internes pour l’hiver est donc de :

0,35 kW x 8 h/jour x 200 jour x 5 j / 7 j = 400 kWh

De même, durant les 165 jours « d’été », la chaleur interne est donnée par :

165 j x 5j/7j x 8 h/j x 0,350 kW = 330 kWh/an